大跨徑預應力混凝土連續梁橋設計淺析

劉學謙 陳玉龍 潘 誠

（1．中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010；2．武漢理工大學，湖北 武漢 430010）

隨著懸臂、頂推等施工工藝的應用成熟，及預應力技術的發展完善，在大跨度橋梁建設中，預應力混凝土連續梁橋的應用越來越廣泛。該類橋梁具有結構剛度大、整體性能好、結構受力合理、行車舒適度高、造型簡潔美觀等優點。但受眾多因素的影響，近年來已建成的該類橋梁中出現了大量病害，對橋梁的結構安全和耐久性產生嚴重影響。因此，應保證設計工作的合理性及科學性，最大限度地提高橋梁工程質量，延長橋梁使用壽命。本文將結合具體工程實例，闡述大跨徑預應力混凝土連續梁橋設計及計算分析的要點。

1 工程概況

港窯路跨三峽高速高架橋[1]是宜昌市港窯路（夷陵長江大橋-峽州大道）市政工程項目中一座重要橋梁。橋梁全長580.4 m，橋寬25.9 m，共5聯。其中第1聯上跨三峽高速公路，上部結構跨徑組合為（48+80+48）m，采用預應力混凝土變截面箱梁。第1聯橋型立面布置如圖1所示。

圖1 橋型立面布置圖/cm

2 主要設計標準

（1）道路等級：快速路；設計時速60 km/h。

（2）設計荷載：城市－A級。

（3）抗震標準：地震動峰值加速度0.05g，基本烈度6度，按7度設防；橋梁抗震設防類別乙類。

（4）橋梁結構設計基準期：100年；橋梁使用年限100年；安全等級：一級。

3 橋梁結構設計要點

3.1 縱截面參數確定

為了能夠較好地擬合連續梁的內力分布規律，大跨徑預應力混凝土連續箱梁宜采用變截面。其邊跨與中跨長度比例一般控制在0.5～0.8范圍內，支點處梁高宜取（1/16～1/25）L，跨中處梁高宜取（1/30～1/50）L，梁底曲線可采用1.5～2次拋物線。故第1聯上部結構跨徑組合采用（48+80+48）m，邊中跨比取0.6，支點梁高5 m，中跨梁高取2.2 m，梁底按2次拋物線變化。

3.2 橫截面參數確定

箱型截面的頂底板是橋梁結構承受正負彎矩的主要部位，頂板厚度的確定既要考慮橋面板橫向彎矩又要考慮預應力鋼束的布置要求，一般不小于25 cm[2]；隨負彎矩的增加，箱梁底板厚度至墩頂處逐漸增加，其厚度變化曲線一般為梁高的同類曲線。箱梁結構彎曲、扭轉所產生的主拉應力主要由箱梁腹板來承受[3]。箱梁腹板厚度需根據其受力需求和構造要求應有所變化，一般箱梁根部腹板厚度較大，且變化段縱向長度應大于12倍的腹板寬度差值。

結合工程實際情況，同時考慮箱梁結構的承載力及剛度要求，主橋箱梁橫截面采用單箱四室斜腹板截面形式。箱室頂板厚度為28 cm，支點處底板厚150 cm，跨中底板厚25 cm。邊支點段腹板厚度由65 cm漸變至50 cm，中支點段腹板厚度由90 cm漸變至70 cm，中間段腹板厚度由70 cm漸變至50 cm。橫斷面布置圖如圖2所示。

圖2 橫梁斷面布置圖/cm

3.3 預應力鋼束布置

橋梁結構按A類預應力混凝土構件設計，采用縱、豎雙向預應力體系。縱向預應力采用抗拉強度標準值為1 860 MPa的φS 15.2 mm高強度低松弛鋼絞線，分頂板束、腹板彎起束及邊、中跨合龍束四類，采用15-12、15-15、15-19三種類型的鋼絞線；錨具采用群錨體系。豎向預應力束采用JL25的精軋螺紋鋼筋，YGM錨具，縱向標準間距為50 cm。預應力鋼束布置見圖3。

圖3 預應力鋼束布置圖

4 橋梁結構計算分析

4.1 模型概況

采用有限元計算軟件midas civil2012，建立梁單元模型，全橋上部結構共劃分為195個單元，186個節點。主要考慮恒載、活載、預應力、收縮徐變、基礎沉降、溫度效應等荷載作用。上部結構采用懸澆施工方法，根據施工步驟建立多個施工工況，對結構內力及應力狀態逐階段進行分析，結構計算模型如圖見4。

圖4 上部結構計算模型

4.2 計算結果分析

4.2.1 正截面抗彎承載力驗算

由《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）[4]，第5.1.2條可知，橋梁結構的承載能力極限狀態的計算需滿足γ0S≤R，再根據規范5.2.2-5.2.6條，具體驗算結果見表1。

表1 正截面抗彎承載力驗算表/(kN·m)

由表1驗算結果可知，截面的內力均小于截面的抗力，滿足規范要求，且具有一定的安全儲備。

4.2.2 正截面抗裂驗算

橋梁結構按A類預應力混凝土構件設計，根據規范[4]第6.3.1條對其正截面拉應力進行驗算。正截面混凝土拉應力應滿足如下規定：在作用（或荷載）的短期效應組合下σst-σpc≤0.7ftk；在作用（或荷載）的長期效應組下σlt-σpc≤0。具體驗算結果見表2、表3。

表2 短期效應組合正截面抗裂驗算表/MPa

表3 長期效應組合正截面抗裂驗算表/MPa

由表2、表3可知，在短期效應組合作用下，結構拉應力均小于規范容許值；在長期效應組合作用下，結構沒有出現拉應力，驗算結果滿足規范要求。

4.2.3 斜截面抗裂驗算

根據規范[4]第6.3.1-8條，應對預應力混凝土受彎構件斜截面主拉應力進行驗算。且滿足如下規定：現場澆筑的A類預應力混凝土構件，在作用（或荷載）的短期效應的組下σtp≤0.5ftk。

分析計算結果可知，最大主拉應力出現在中支點截面，為-1.013 MPa，小于容許值-1.325 MPa，滿足規范要求。4.2.4 施工階段應力驗算

根據規范[4]第7.2.8條，在施工階段荷載作用下，混凝土受彎構件截面邊緣的法向應力應滿足：壓應力σCC≤0.7fck'；拉應力σct≤0.7ftk'。驗算結果見表4。

表4 施工階段應力驗算表/MPa

由表4可知，施工階段法向壓應力與法向拉應力均小于規范容許值，滿足規范要求。

4.2.5 正截面壓應力驗算

根據規范[4]第7.1.5條的規定，應對預應力混凝土受彎構件正截面壓應力進行驗算，且符合下式規定：σkc-σpt≤0.5fck，驗算結果見表5。

表5 正截面壓應力驗算表/MPa

由表5可知，正截面壓應力小于規范容許值，滿足規范要求。

4.2.6 斜截面壓應力驗算

根據規范[4]第7.1.6條的規定，應對預應力混凝土受彎構件在作用標準值和預加力作用下產生的混凝土主壓應力進行驗算，且符合下式規定：σcp≤0.6fck。

分析計算結果可知，斜截面最大主壓應力13.525 MPa，小于容許值19.44 MPa，滿足規范要求。

4.2.7 主梁撓度驗算

根據程序計算可知，正常使用極限狀態結構由汽車荷載引起的豎向變形最大為-15.2 mm。按規范[4]6.5.3 條規定，當采用C40～C80 混凝土時，撓度長期增長系數ηθ＝1.45～1.35，C50 混凝土按直線內插得ηθ＝1.4。

由計算可知，消除構件自重的長期撓度的跨中最大值為：fmax=1.425×15.2 mm=21.7 mm，小于計算跨徑80 m×1/600＝133 mm，撓度驗算滿足規范要求。

5 結語

本文結合港窯路跨三峽高速高架橋工程實例，從縱橋向和橫橋向尺寸擬定及預應力鋼束布置等方面闡述了預應力混凝土變截面連續梁橋設計過程中的一些要點，并采用有限元分析軟件midas civil2012進行了計算分析，結構尺寸合理，受力安全可靠，滿足規范要求。